Лекции Физические основы ВОЛП (стр. 14 )

Потери за счет разности числовых апертур возникают, главным образом, из-за наличия производственных допусков на этот параметр.
В перечень составляющих потерь, вызываемых внешними факторами, входят потери за счет наличия воздушного промежутка между торцами сращиваемых световодов, радиальных и угловых смещений волокон, непараллельности торцевых поверхностей световодов в разъемах. Потери этого вида обусловлены неизбежными производственными допусками на геометрические размеры отдельных деталей оптического разъема, выполняющих центрирование сращиваемых волокон.

В тех случаях, когда между торцевыми поверхностями сращиваемых световодов имеется воздушный промежуток, возникают дополнительные френелевские потери, которые обусловлены частичными отражениями светового потока на границе раздела воздухстекло.

Обратные отражения

В любом оптическом разъеме между торцевыми поверхностями сращиваемых световодов обязательно остаются воздушные зазоры большей или меньшей толщины и/или площади, вызванные неизбежными погрешностями и допусками на изготовление. В таких областях за счет наличия перехода стекловоздухстекло возникают френелевские отражения, которые приводят к появлению отраженного в обратном направлении светового потока.

Поток обратного отражения оказывает отрицательное влияние на высокоскоростные лазерные оптические передатчики, так как, попадая обратно в резонатор, он вызывает сильные искажения передаваемого сигнала. В принципе причиной возникновения обратных отражений может явиться любая неоднородность световода, однако наибольший вклад вносят оптические разъемы. На основании этого в процессе создания линий оптической связи значение обратного отражения должно контролироваться достаточно жестко. Мерой величины обратных отражений является коэффициент обратного отражения, который определяется как отношение мощности отраженного светового потока к мощности падающего и, из-за своей малости, выражаемый обычно в логарифмических единицах.

Стандарты TIA/EIA-568A и ISO/IEC 11801 требуют применять в конструкции многомодовых оптических разъемов такие решения, чтобы они имели коэффициент обратного отражения не хуже -20 дБ, тогда как для одномодовых разъемов величина этого параметра должна быть не хуже -26 дБ. Фактически последнее значение недостаточно для многих приложений, и разработан ряд методов по его снижению. В зависимости от достижимого коэффициента обратного отражения одномодовые разъемы делят на классы:

• PC < — 30 дБ
• Super PC (SPC) < — 40 дБ
• Ultra PC (UPC) < — 50 дБ
• Angled PC (APC) < — 60 дБ

Обязательным условием минимизации обратного отражения является наличие так называемого физического контакта (physical contact – PC), при котором стекло сердцевины световода вилки одного разъема прижато к стеклу сердцевины другого (по крайней мере, частично) без воздушного зазора. Наличие физического контакта особенно важно для одномодовых разъемов. Этого условия практически невозможно добиться в наконечниках с плоской формой торцевой поверхности, популярных в разъемах разработки до 1985 года (Рисунок 4.5 а). Для достижения физического контакта применяют целый ряд технических и технологических приемов, краткий перечень основных из которых включает в себя:

• нажимные пружины, которые при вставленных в розетку вилках прижимают торцы наконечников друг к другу;
• наконечники с выпуклыми торцевыми поверхностями (радиус скругления 10-15 мм) – Рисунок 4.5 б;
• специальную технологию обработки торцевой поверхности.

Наиболее эффективным, хотя самым сложным в технической реализации и соответственно дорогим средством минимизации обратных отражений, является применение наконечников со скошенными под небольшим углом (примерно 8°) торцевыми поверхностями (так называемые pre-angled endface-наконечники) – Рисунок 4.5 в.

Рисунок 4.5 Формы торцевой поверхности наконечников коннекторов:

a) плоская; б) выпуклая классов PC, SuperPC, UltraPC; в) скошенная (Angled PC)

Упомянем также еще одно техническое решение, которое пользовалось большой популярностью на ранних этапах развития техники волоконнооптической связи. Для минимизации обратных отражений в разъемы здесь в область контакта световодов закапывается прозрачная иммерсионная жидкость, показатель преломления которой выбирается близким к показателю преломления стекла. Подобное решение существенно усложняет эксплуатацию разъемов и в связи с улучшением технологии обработки наконечников практически вытеснено из широкой практики. Иммерсионный гель применяется только в некоторых типах так называемых механических коннекторов и в механических сплайсах, то есть в элементах, где число циклов сращивания и разъединения сведено к минимуму.

4.1.3. Типы конструкций

По конструкции соединения бывают симметричными и несимметричными. Упрощенные схемы соединений показаны на рисунке (Рисунок 3.1). При несимметричной конструкции для организации соединения требуется два элемента: соединитель гнездовой и соединитель штекерный (Рисунок 3.1 а). Оптическое волокно в капиллярной трубке коннектора-штекера не доходит до торца капилляра, а остается в глубине. Напротив, волокно в гнездовом соединителе выступает наружу. При организации соединения физический контакт волокон происходит внутри наконечника-капилляра, который обеспечивает соосность волокон. Открытое волокно, и капиллярная полость у этих соединителей являются основными недостатками, снижающими надежность несимметричной конструкции. Особенно недостатки сказываются при большом количестве переподключений. Поэтому такой тип конструкции получил меньшее распространение.

При симметричной конструкции для организации соединения требуется три элемента: два соединителя и переходная розетка (coupling) (Рисунок 3.1 б). Главным элементом соединителя является наконечник (ferrule). Переходная розетка снабжается центрирующим элементом, выполненным в виде трубки с продольным разрезом – должен быть контакт между наконечником и центрирующим элементом розетки (Рисунок 3.1 в). Центрирующий элемент плотно охватывает наконечники и обеспечивает их строгую соосность.

Внешний диаметр наконечника равен 2,5 мм. Наиболее жесткие требования предъявляются к параметрам отверстия (капилляра) наконечника. Оно должно быть достаточно большим, чтобы волокно могло зайти в него, и при этом достаточно малым, чтобы люфт волокна был незначительным. Диаметр отверстия в соответствии со стандартом равен 126 +1/-0 мкм для одномодового волокна и 127 +2/-0 мкм для многомодового волокна. Некоторые производители поставляют наконечники широкого диапазона диаметров (напри-мер, 124, 125, 126, 127 мкм) для аккомодации естественных вариаций диаметров волокна. Наконечник, как самый прецизионный элемент соединителя, является самым дорогим. Наконечники обычно бывают металлические (на основе нержавеющей стали), керамические (на основе циркония или оксида алюминия). Пластиковые наконечники высокого качества должны снизить стоимость соединителя.
К соединителям предъявляются следующие основные требования: малые вносимые потери, малое обратное отражение, устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям, высокая надежность и простота конструкции, незначительное ухудшение характеристик после многократных повторных соединений.

Обозначения:
1 — соединитель гнездовой; 2 — наконечник-капилляр; 3 — соединитель штекерный;
4 — кевларовые нити; 5 — эпоксидный наполнитель; 6 — соединитель;
7 — переходная соединительная розетка (адаптер); 8 — оптический наконечник;
9 — центрирующий элемент розетки; 10 — оптическое волокно;
11 — миникабель
Рисунок 4.6 Конструкции соединителей: а) несимметричная; б) симметричная; в) наконечник и центратор розетки симметричного соединителя

4.1.3.1. Конструктивные особенности оптических разъемов

В состав оптического разъема входят следующие основные узлы и детали:

• наконечник или другой элемент для фиксации волокон;
• элемент центрирования сращиваемых волокон относительно друг друга;
• корпус с элементами защиты от проворачивания и неправильного подключения;
• элементы фиксации за упрочняющие покрытия световодов и кабеля;
• хвостовик;
• защитный колпачок.

В зависимости от конструктивного исполнения оптического разъема те или иные конструктивные элементы из приведенного списка могут отсутствовать.

Наконечники вилок оптических разъемов

Основной деталью большинства типов вилок является осесимметричный наконечник с центральным отверстием, в котором фиксируется конец волоконного световода. Для уменьшения потерь в точке сращивания торец световода обязательно шлифуется и полируется заподлицо с торцом наконечника. Конструкция основной массы оптических разъемов основана на применении цилиндрических наконечников диаметром 2,5 мм. Известны также изделия с наконечниками другого диаметра и формы, отличной от цилиндрической. Торцевая поверхность наконечника обязательно выполняется с фаской. Это облегчает установку вилки в розетку. Кроме того, в собранном состоянии разъема между наконечниками в краевой их части остается свободное пространство, куда попадают частицы загрязнения, и торцевые поверхности наконечников за счет этого могут быть вплотную прижаты друг к другу.

Рисунок 4.7 Наконечник моноблочной конструкции

По конструктивному исполнению наконечники делятся на моноблочные и композитные. Моноблочные наконечники (Рисунок 4.7) делаются из одного материала, в качестве которого на практике выступают керамика, металл, пластмасса и иногда стекло. Материалом для изготовления керамических наконечников является окись алюминия или циркония. Окись алюминия обходится производителям дешевле, однако, окись циркония превосходит его по механической стабильности и прочностным характеристикам. Керамические наконечники превосходят наконечники из других материалов по долговечности и стабильности при работе в широком диапазоне температур. Еще одним свойством керамических наконечников является возможность достижения в процессе производства более жестких допусков на геометрические параметры, за счет чего они обеспечивают меньшие вносимые потери (до 0,2-0,3 дБ, см. табл. 4.12).
Использование пластмассы для изготовления наконечника обосновывается, главным образом, соображениями минимизации стоимости разъема за счет некоторого ухудшения его параметров по стабильности и потерям. Некоторые типы разъемов имеют металлический наконечник из нержавеющей стали и по своим характеристикам занимают промежуточное положение между изделиями с керамическими и пластмассовыми наконечниками. Стеклянные наконечники применяются в тех случаях, когда установку вилки на световод производят клеем, отвердевающим под действием ультрафиолетовых лучей.
Стандарты СКС предъявляют к оптическим разъемам достаточно жесткие требования обеспечения заданных величин потерь и обратных отражений на протяжении не менее 500 циклов включения-отключения. Исходя из этого, в конструкциях вилок разъемов, используемых для реализации оптических подсистем, в подавляющем большинстве случаев применяются керамические наконечники.